Tatanan ruang-waktu adalah model konseptual yang menggabungkan tiga dimensi ruang dengan dimensi waktu keempat. Menurut yang terbaik dari teori fisik saat ini, ruang-waktu menjelaskan efek relativistik yang tidak biasa yang muncul dari perjalanan di dekat kecepatan cahaya serta gerakan benda besar di alam semesta.
Siapa yang menemukan ruang-waktu?
Fisikawan terkenal Albert Einstein membantu mengembangkan gagasan ruang-waktu sebagai bagian dari teorinya tentang relativitas. Sebelum karya perintisnya, para ilmuwan memiliki dua teori terpisah untuk menjelaskan fenomena fisik: Hukum fisika Isaac Newton menggambarkan gerakan benda besar, sementara model elektromagnetik James Clerk Maxwell menjelaskan sifat-sifat cahaya, menurut NASA.
Tetapi percobaan yang dilakukan pada akhir abad ke-19 menunjukkan bahwa ada sesuatu yang istimewa tentang cahaya. Pengukuran menunjukkan bahwa cahaya selalu bergerak dengan kecepatan yang sama, apa pun yang terjadi. Dan pada tahun 1898, fisikawan dan ahli matematika Prancis Henri Poincaré berspekulasi bahwa kecepatan cahaya mungkin merupakan batas yang tak tertandingi. Sekitar waktu yang sama, peneliti lain sedang mempertimbangkan kemungkinan bahwa benda berubah ukuran dan massa, tergantung pada kecepatannya.
Einstein menyatukan semua gagasan ini dalam teorinya tentang relativitas khusus tahun 1905, yang mendalilkan bahwa kecepatan cahaya adalah konstan. Agar ini benar, ruang dan waktu harus digabungkan menjadi satu kerangka kerja tunggal yang berkonspirasi untuk menjaga kecepatan cahaya tetap sama untuk semua pengamat.
Seseorang dalam roket super cepat akan mengukur waktu untuk bergerak lebih lambat dan panjang objek menjadi lebih pendek dibandingkan dengan orang yang bepergian dengan kecepatan jauh lebih lambat. Itu karena ruang dan waktu adalah relatif - mereka bergantung pada kecepatan pengamat. Namun kecepatan cahaya lebih mendasar daripada keduanya.
Kesimpulan bahwa ruang-waktu adalah kain tunggal bukanlah sesuatu yang dicapai oleh Einstein sendiri. Gagasan itu datang dari matematikawan Jerman Hermann Minkowski, yang mengatakan dalam sebuah kolokium 1908, "Sejak saat itu, ruang dengan sendirinya, dan waktu dengan sendirinya, akan menghilang menjadi bayangan belaka, dan hanya semacam persatuan keduanya yang akan mempertahankan realitas independen. . "
Ruang-waktu yang ia gambarkan masih dikenal sebagai ruang-waktu Minkowski dan berfungsi sebagai latar belakang perhitungan dalam teori relativitas dan medan kuantum. Yang terakhir menggambarkan dinamika partikel subatom sebagai bidang, menurut ahli astrofisika dan sains Ethan Siegel.
Bagaimana ruang-waktu bekerja
Saat ini, ketika orang berbicara tentang ruang-waktu, mereka sering menggambarkannya seperti selembar karet. Ini juga berasal dari Einstein, yang menyadari ketika ia mengembangkan teorinya tentang relativitas umum bahwa gaya gravitasi disebabkan oleh kurva pada jalinan ruang-waktu.
Objek besar - seperti Bumi, matahari atau Anda - menciptakan distorsi dalam ruang-waktu yang menyebabkannya bengkok. Kurva ini, pada gilirannya, menyempitkan cara di mana segala sesuatu di alam semesta bergerak, karena benda harus mengikuti jalur di sepanjang kelengkungan yang bengkok ini. Gerakan karena gravitasi sebenarnya adalah gerakan di sepanjang tikungan dan putaran ruang-waktu.
Sebuah misi NASA yang disebut Gravity Probe B (GP-B) mengukur bentuk pusaran ruang-waktu di sekitar Bumi pada tahun 2011 dan menemukan bahwa itu sesuai dengan prediksi Einstein.
Tetapi banyak dari ini tetap sulit bagi kebanyakan orang untuk membungkus kepala mereka. Meskipun kita dapat membahas ruang-waktu yang mirip dengan selembar karet, analoginya akhirnya rusak. Lembaran karet dua dimensi, sedangkan ruang-waktu empat dimensi. Bukan hanya lekukan di luar angkasa yang diwakili lembaran itu, tetapi juga lekukan pada waktunya. Persamaan rumit yang digunakan untuk menjelaskan semua ini sulit bagi bahkan fisikawan untuk bekerja dengannya.
"Einstein membuat mesin yang indah, tetapi dia tidak meninggalkan kami secara manual," tulis astrofisikawan Paul Sutter untuk situs saudara Live Science, Space.com. "Hanya untuk mengemukakan intinya, relativitas umum begitu rumit sehingga ketika seseorang menemukan solusi untuk persamaan, mereka mendapatkan solusi yang dinamai menurut mereka dan menjadi semi-legendaris dalam hak mereka sendiri."
Apa yang masih belum diketahui para ilmuwan
Terlepas dari kerumitannya, relativitas tetap merupakan cara terbaik untuk menjelaskan fenomena fisik yang kita ketahui. Namun para ilmuwan tahu bahwa model mereka tidak lengkap karena relativitas masih belum sepenuhnya didamaikan dengan mekanika kuantum, yang menjelaskan sifat-sifat partikel subatomik dengan presisi ekstrem tetapi tidak menggabungkan gaya gravitasi.
Mekanika kuantum bertumpu pada kenyataan bahwa serpihan-serpihan kecil yang membentuk alam semesta adalah diskrit, atau terkuantisasi. Jadi foton, partikel yang membentuk cahaya, seperti potongan kecil cahaya yang datang dalam paket yang berbeda.
Beberapa ahli teori berspekulasi bahwa mungkin ruang-waktu itu sendiri juga hadir dalam potongan-potongan terkuantisasi ini, membantu menjembatani relativitas dan mekanika kuantum. Para peneliti di Badan Antariksa Eropa telah mengusulkan misi Laboratorium Internasional Astronomi Gamma untuk Eksplorasi Kuantum Ruang-Waktu (GrailQuest), yang akan terbang di sekitar planet kita dan melakukan pengukuran ultra akurat dari ledakan yang jauh dan kuat yang disebut semburan sinar gamma yang bisa mengungkapkan sifat ruang-waktu dari dekat.
Misi semacam itu tidak akan diluncurkan untuk setidaknya satu setengah dekade tetapi, jika itu dilakukan, itu mungkin akan membantu memecahkan beberapa misteri terbesar yang tersisa dalam fisika.
